Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме

Номер патента: 20147

Опубликовано: 30.09.2014

Авторы: Толомеев Александр Павлович, Задереев Егор Сергеевич

Скачать PDF файл.

Формула / Реферат

Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме, включающий подводную видеосъемку с лазерной подсветкой и подсчет организмов, наблюдаемых в кадре, с помощью компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально, отличающийся тем, что осуществляют последовательную лазерную подсветку слоев водной толщи водоема с видеофиксацией и регистрацией глубины каждого подсвечиваемого слоя для непрерывной регистрации подсвеченных организмов зоопланктона, попавших в зону видимости видеокамеры на уровне подсветки, причем каждый подсвечиваемый слой расположен в плоскости, перпендикулярной главной оптической оси объектива видеокамеры, определяют индивидуальную глубину нахождения и размер каждого организма, а вертикальное распределение организмов каждой размерной группы определяют по формуле

Рисунок 1

где xi,j - концентрация организмов зоопланктона размерной группы j в слое i высотой z;

ni,j - количество организмов размерной группы j с зафиксированным вертикальным положением d в диапазоне z×(i-1)≤d<z×i;

h - высота и

l - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной подсветки.

Текст

Смотреть все

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И РАЗМЕРНОЙ СТРУКТУРЫ ЗООПЛАНКТОНА В ВОДОЕМЕ Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме относится к области экологии, рыбного хозяйства и может быть использован для оценки функционирования биотических сообществ водных экосистем с целью сбора сведений о численности, биомассе и пространственном распределении ключевых видов гидробионтов. Способ включает подводную видеосъемку с лазерной подсветкой и подсчет организмов, наблюдаемых в кадре, с помощью компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально. При этом используют узкую фронтальную лазерную подсветку организмов, производят непрерывную регистрацию всех организмов в сканируемом столбе воды и определяют индивидуальную глубину нахождения и размер каждого организма, при этом вертикальное распределение организмов каждой размерной группы определяют по формуле Задереев Егор Сергеевич, Толомеев Александр Павлович (RU) Черепанова Л.И. (RU) где xi,j - концентрация организмов зоопланктона размерной группы j в слое i высотой z; ni,j количество организмов размерной группы j с зафиксированным вертикальным положением d в диапазоне z(i-1)d zi; h - высота и l - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости. Техническим результатом изобретения является разработка более точного способа определения вертикального распределения планктонных организмов и их размерной структуры.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (RU) Изобретение относится к области экологии, рыбного хозяйства и может быть использовано для оценки функционирования биотических сообществ водных экосистем с целью сбора сведений о численности, биомассе и пространственном распределении ключевых видов гидробионтов. Классические исследования включают отбор проб зоопланктона и их последующий анализ под микроскопом. Существуют различные способы отбора проб зоопланктона: лов сеткой [Шаповалова И.М., Вологдин М.П. О количественном учете озерного бокоплава // Гидробиол. журн. 1973. IX.5. С. 85-89], батометром [Жадин В.И. Методы гидробиологического исследования. М.: Высш. шк. 1960. 189 с.] или шланговым насосом [Trevorrow M.V., Tanaka Y. Acoustic and in situ measurements of freshwater amphipods (Jesogammarus annandalei) in Lake Biwa, Japan // Limnol. Oceanogr. 1997. V. 42.1. P. 121-132]. Анализ проб под микроскопом позволяет получить такие важные характеристики популяции, как: размерный состав и распределение возрастных стадий, половую структуру, плодовитость. Однако применение этих способов требует больших временных затрат как для отбора, так и обработки проб. Как следствие, нельзя получить мгновенную картину распределения животных в пространстве. Также известно, что животные способны избегать орудия лова, что приводит к недооценке их количества и большой статистической погрешности. Наряду с классическими способами отбора зоопланктона применяются и автоматизированные подходы, например акустическое зондирование и подводные видеосъемки [Handbook of scaling methods inp.; Zooplankton methodology manual / Edited by Harris R.P. et al. Elsevier. 2000. 684 p.]. Акустический мониторинг позволяет получать практически мгновенную картину распределения организмов в пространстве. Анализируется достаточно большая площадь водной толщи. Непрерывность регистрации эхосигналов в процессе зондирования также дает возможность оценить вертикальные миграции гидробионтов. Однако этот метод имеет существенные ограничения при работе с низкой плотностью организмов. Также крайне затруднительно получить таксономический состав и морфометрию планктона. Наиболее перспективным способом исследований являются способы подводного видеонаблюдения,активно развивающиеся в последние годы [Teece M.A. An inexpensive remotely operated vehicle for underwater studies // Limnol. Oceanogr.: Methods. 7. 2009. P. 206-215]. Подводные камеры позволяют получать качественное изображение организмов в широком размерном диапазоне, включая организмы зоопланктона [Schulz J., Barz K., Ayon P. Imaging of plankton specimens with the lightframe on-sight keyspecies investigation (LOKI) system // Journal of the European optical society-rapid publications. 5. 2010. P. 10017]. Более совершенной системой, подробно описанной в литературе, является UVP5 [Picheral M., Guidifor high spatial resolution studies of particle size spectra and zooplankton // Limnol. Oceanogr.: Methods. 8. 2010. P. 462-473]. Она использует в качестве подсветки объектов узколинейный стробоскопический источник света (длина волны 625 нм), образующий перед камерой световую область с помощью двух установленных друг против друга световых модулей. Типичный размер светового луча каждого модуля составляет 320 см. Наиболее близким техническим решением является способ определения плотности концентрации рыб [п.2167434 РФ, МПК G01S 17/00, опубл. 20.03.1998 г. (прототип)], включающий съемку с помощью лазерной подводной телевизионной системы со стробированием по дальности и подсчетом визуально или с помощью компьютера числа рыб, наблюдаемых в кадре. Основной недостаток данного способа применительно к изучению вертикального распределения и размерной структуры организмов зоопланктона заключаются в следующем: он не позволяет установить точное индивидуальное вертикальное положение исследуемых объектов, поскольку все объекты на видеокадре фиксируются в достаточно широкой области пространства, имеющей форму сферического конуса. По этой же причине невозможно точное определение размера организмов. Техническим результатом изобретения является разработка более точного способа определения вертикального распределения планктонных организмов и их размерной структуры. Технический результат достигается тем, что в способе определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона, включающем подводную видеосъемку с лазерной подсветкой и подсчет организмов, наблюдаемых в кадре, с помощью компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально, новым является то, что используют узкую фронтальную лазерную подсветку организмов,при этом производят непрерывную регистрацию всех организмов в сканируемом столбе воды и определяют индивидуальную глубину нахождения и размер каждого организма, а вертикальное распределение организмов каждой размерной группы определяют по формуле где xi,j - концентрация организмов зоопланктона размерной группы j в слое i высотой z;ni,j - количество организмов размерной группы j с зафиксированным вертикальным положением d в диапазоне z(i-1)dzi;l - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости. Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критериям новизна и изобретательский уровень. Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема устройства, осуществляющего видеодетекцию планктонных организмов описываемым способом. На фиг. 2 дан пример вертикального распределения численности организмов зоопланктона (экз./л) размером менее 2 мм, зарегистрированных с помощью системы видеодетекции с лазерной подсветкой в озере Шира (Россия, Хакасия) (09.10.2011). Для решения данной проблемы предлагается использовать способ подводной видеодетекции, использующий узкую фронтальную лазерную подсветку организмов. Устройство (фиг. 1) состоит из погружаемого блока, включающего: цифровую цветную видеокамеру (1), лазерный модуль (2), гидростатический датчик глубины (3), и регистрирующего компьютера (4). Элементы погружаемого блока закреплены на треножном штативе (5). В верхней части штатива располагается направленная вниз видеокамера, помещенная в водонепроницаемый бокс (6) с обзорным окном(7). Опоры штатива служат для крепления гидростатического датчика глубины и лазерного модуля, которые располагаются на одном уровне. Видеокамера и датчик глубины соединены с регистрирующим компьютером комбинированным кабелем (8). По кабелю осуществляется передача видеоданных и управление видеокамерой, передача сигнала с датчика глубины, а также питание видеокамеры и лазерного модуля. Лазерный модуль крепится на штативе таким образом, чтобы генерируемая лазерная плоскость(9) была перпендикулярна главной оптической оси объектива видеокамеры, а зона видимости камеры(10) находилась внутри границ лазерной плоскости. Расстояние от объектива камеры до лазерной плоскости выбирается с таким расчетом, чтобы исследуемые объекты, находящиеся на этом расстоянии, были достаточно хорошо различимы на видеокадрах с целью последующего определения их размера. Предлагаемый способ подсчета организмов в водной толще осуществляется следующим образом. Погружаемый блок устройства опускают в водоем от поверхности до дна равномерно с заданной скоростью. При опускании ведется непрерывная запись изображения с камеры и значений датчика глубины с помощью регистрирующего компьютера. В результате сканирования водной толщи лазерной плоскостью все встреченные организмы подсвечиваются и их изображения записываются в видеофайл. Максимальная скорость опускания устройства определяется скоростью захвата изображений видеокамерой, т.е. камера должна сделать не менее одного кадра за то время, пока объект остается подсвеченным. Определение размерного состава и вертикального распределения планктонных организмов выполняется на основе компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально (в случае малых численностей или низких требований к точности). В кадре подсвеченные организмы имеют более высокую яркость и оттенок, соответствующий цвету лазера (фиг. 1, позиция 11), что позволяет их легко отличать от фона и организмов, находящихся вне лазерной плоскости (фиг. 1, позиция 12). Точное вертикальное положение каждого подсвеченного организма определяется на основе показаний датчика глубины, установленного на одном уровне с лазерной плоскостью. В видеофайле отмечается время, когда организм попадает в свет лазера, и для этого же времени находится значение в файле данных датчика глубины. Найденное значение глубины присваивается наблюдаемому организму. В итоге, после обработки всего видеофайла устанавливается вертикальное положение всех организмов в сканированном столбе воды. Поскольку расстояние от объектива камеры до подсвеченного объекта всегда постоянно, то размеры организмов находят путем прямого измерения их изображений в кадре в пикселях и последующего перевода в метрические единицы. Для перевода используют коэффициент k, определяющий, сколько метрических единиц зоны лазерной плоскости отображает один пиксель. Коэффициент k может быть найден как где l - длина (или ширина) зоны видимости камеры на уровне лазерной плоскости в метрических единицах;lfr - соответствующая длина (или ширина) кадра в пикселях. Например, если длина изображения подсвеченного объекта в кадре limg=10 пикселей, ширина кадраlf= 640 пикселей, а ширина зоны видимости камеры на уровне лазерной плоскости l = 50 мм, то реальный размер объекта lobj в мм будет В гидробиологических исследованиях часто необходимо получить данные о вертикальном распределении численности и биомассы планктонных организмов, а также найти их интегральные величины в столбе воды под метром квадратным. Предлагаемый способ позволяет легко рассчитать эти значения по результатам видеодетекции. Если вся вертикаль водной толщи разбита на N слоев высотой z, то концентрация численности организмов зоопланктона xi,j каждой размерной группы j в слое i будет определяться как где ni,j - количество организмов размерной группы j с зафиксированным вертикальным положениемl - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости. Биомасса организмов зоопланктона bi в слое i будет определяться как где aj - соответствующий размерно-весовой коэффициент. Интегральная численность X и биомасса В в выделенном столбе воды под метром квадратным будет определяться согласно формулам Пример вертикального распределения концентрации организмов зоопланктона представлен на фиг. 2. Заявляемый способ определения размерной структуры и вертикального распределения планктонных организмов за счет использования узкой фронтальной лазерной подсветки организмов позволяет определить точное местоположение объекта (до нескольких миллиметров) в пространстве, его размерные характеристики, а также получить более контрастное изображение относительно фона, что значительно облегчает автоматический подсчет количества встреченных объектов. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме,включающий подводную видеосъемку с лазерной подсветкой и подсчет организмов, наблюдаемых в кадре, с помощью компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально, отличающийся тем, что осуществляют последовательную лазерную подсветку слоев водной толщи водоема с видеофиксацией и регистрацией глубины каждого подсвечиваемого слоя для непрерывной регистрации подсвеченных организмов зоопланктона, попавших в зону видимости видеокамеры на уровне подсветки, причем каждый подсвечиваемый слой расположен в плоскости, перпендикулярной главной оптической оси объектива видеокамеры, определяют индивидуальную глубину нахождения и размер каждого организма,а вертикальное распределение организмов каждой размерной группы определяют по формуле где xi,j - концентрация организмов зоопланктона размерной группы j в слое i высотой z;ni,j - количество организмов размерной группы j с зафиксированным вертикальным положением d в диапазоне z(i-1)dzi;l - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной подсветки.

МПК / Метки

МПК: G06Q 50/02, G01S 17/00

Метки: вертикального, способ, зоопланктона, размерной, структуры, водоеме, определения, распределения

Код ссылки

<a href="http://easpatents.com/5-20147-sposob-opredeleniya-vertikalnogo-raspredeleniya-i-razmernojj-struktury-zooplanktona-v-vodoeme.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме</a>

Похожие патенты